12. EUV 개발 역사 (12) - LPP 광원의 심화기술

 

 

 

• 드라이브 레이저: 시드 레이저와 증폭기를 포함하는 레이저 토탈 시스템이라고 생각하면됩니다. 그러기에 당연히 전체 시스템 아키텍처에서 중추적인 역할을 합니다. 예시로 20kW 이상의 필요한 출력 수준에 도달하기 위해 여러 단계의 증폭을 포함합니다. 종종 약 50kHz에서 펄스 모드로 작동하는 드라이브 레이저는 메가헤르츠 범위에서 작동하는 발전기의 무선 주파수(RF) 펌핑에 의존하기도 합니다.
• 빔 전송 시스템(BTS): 빔 전송 시스템은 구동 레이저에서 소스 진공 용기로 레이저 빔의 전달을 용이하게 하는 도관 역할을 합니다. BTS는 터닝 미러 덕분에 팹에서 팹으로 레이저 빔의 통과를 가능하게 합니다. 이러한 기술 덕분에 레이저의 정확한 위치 지정을 보장합니다.
• 소스 진공 용기(Vessel): 여기에는 포커싱 광학 시스템, 액적 생성기, 컬렉터 미러 및 플라즈마 챔버를 포함한 일련의 광학계를 포함한 EUV Transfer element 등 필수 구성 요소가 들어 있습니다. 포커싱 광학 시스템을 빠져나오면 레이저 빔은 진공 챔버 내 타원 콜렉터 미러의 1차 초점에 위치한 주석 액적에 충돌합니다. 일반적으로 직경이 약 30mm인 액상 주석 액적은 액적 생성기에 의해 약 50kHz의 속도로 전달됩니다.
• 소스 컨트롤러: 소스 컨트롤러는 구동 레이저의 작동 조정을 담당합니다. 펄스 버스트를 켜고 끄는 방식으로 소스 컨트롤러는 저항을 사용하여 필드 크기의 노출을 조절합니다. 버스트 주기에 대한 버스트 온 시간의 비율로 정의되는 Duty cycle은 스캐닝 시간과 전체 처리량 예산에 상당한 영향을 미칩니다.

 

HVM에서 더 높은 EUV 출력 수준을 끊임없이 추구하려면 레이저 기술과 플라즈마 생성 기술의 지속적인 발전이 필요합니다. 이 섹션에서는 EUV 출력 스케일링의 주요 측면과 발전을 이끈 발전 사항을 살펴봅니다.

 

Stable operation of the ASML-Cymer LPP source at 210 W for 1 hour

 

도체 제조에서 대량 제조(HVM) 요구 사항을 충족하기 위해 중간 초점(IF)에서 방출되는 EUV 광의 출력을 높이는 것이 포함됩니다. 레이저 출력, 변환 효율(CE), 오버헤드 및 EUV 전송에 영향을 미치는 물리적 요인을 포함하여 IF에서 EUV 출력에 기여하는 몇 가지 요인이 있습니다. 레이저 출력은 EUV 출력 스케일링에서 중요한 역할을 합니다. 레이저 출력이 높을수록 주석 방울에 더 많은 에너지 증착이 가능하여 EUV 출력이 높아집니다. CO2 레이저 증폭기와 같은 드라이브 레이저의 아키텍처는 달성 가능한 전력 수준을 결정합니다.

 

변환 효율(CE)은 13.5nm의 중심 파장 주변의 특정 대역폭 내에서 방사되는 EUV 전력으로 변환된 레이저 전력의 척도입니다. CE 개선은 레이저-플라즈마 에너지 커플링의 발전과 대상 물질 분포의 최적화로 인해 발생합니다. 더 높은 CE 값을 달성하면 EUV 전력 출력이 향상됩니다. 오버헤드는 지정된 선량 안정성을 제공하는 데 필요한 EUV 전력의 양을 나타냅니다. 오버헤드를 줄이면 보다 효율적인 EUV 전력 활용이 가능하여 반도체 제조에서 더 높은 처리량에 기여합니다. 플라즈마 함유 용기 내의 물리적 요인은 EUV 전송에 영향을 미칩니다. 이러한 요인에는 집광기의 반사율, 배경 가스의 투과율 및 주요 초점에서 중간 초점으로의 EUV 광 전파에 영향을 미치는 기타 측면이 포함됩니다.

 

수년에 걸쳐 LPP EUV 소스 아키텍처는 한계를 극복하고 더 높은 EUV 전력 스케일링을 달성하도록 발전했습니다. 대표적으로 NOMO(No Master Oscillator) 기술, MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) ​​및 프리 펄스가 있는 MOPA가 포함됩니다.NOMO 기술은 레이저 이득 매질의 뒷면에 격자 또는 거울을 사용하는 것을 포함합니다.

 

https://youtu.be/NHSR6AHNiDs?si=EyNLola1QICV4s6x

 

영상에서 보시면 방울방울 떨어지는 것이 주석 방울입니다. 주석은 원소기호 Sn으로 칭해지는 금속으로 영어로는 tin, 상납 또는 동납철로 불리기도 하는 금속입니다. 232°C 에 녹아서 액체상태를 유지합니다. 이러한 물질을 녹여서 액체 방울상태인 주석에 CO₂레이저를 1차 타격하여 주석방울이 마치 렌즈모양처럼 납작하게 펴지게 됩니다. 이후 두번째 초 고출력 레이저가 렌즈형태로 펼쳐진 주석방울을 다시 한번 더 타격하게 됩니다.

 

레이저로 두번째 타격하는 순간 너무나 강한 에너지를 받게 된 주석방울이 순간적으로 폭발 기화 하면서 플라즈마 상태가 되며 극자외선 EUV를 방출하게 되는 것입니다. 영상에는 주석방울이 천천히 떨어지는 것처럼 보이지만, 실제로는 초당 50,000회 떨어집니다. 초당 5만회로 떨어지는 방물마다 2회씩 레이저를 정교하게 맞추는 것이니만큼, 엄청난 초 고난도 기술입니다 (이거 개발하려고 30년 걸렸다면 믿겠습니까?) 다음 포스팅에서는 이 주석방울을 떨어트리는 Droplet에 대한 이야기를 다뤄볼 예정이니 궁금하시면 찾아주세요~

 

다시 돌아와서 주석 방울이 초점 영역을 통과하면 레이저 공동을 완성하여 정확한 레이저 대 방울 타이밍을 얻습니다. NOMO 아키텍처는 NXE:3100 광원에 사용되어 최대 10W의 선량 제어 EUV 전력을 생성했죠. 그러나 NOMO 기술은 저장된 에너지, 레이저 펄스 모양 제어 및 변환 효율 측면에서 한계가 있었습니다.

 

NOMO 기술의 개략도. Sn 액적이 레이저 초점을 통과함에 따라 레이저 이득이 빠르게 덤프되어 플라즈마 형성

NXE:3100의 MOPA 프리 펄스 구성 개략도

 

더 높은 출력을 위해 개발된 기술이 MOPA 프리 펄스 기술입니다. LPP 소스 시스템에 MOPA 프리펄스 기술을 통합하는 것은 더 높은 EUV 출력 수준을 달성하는 데 중요한 역할을 했습니다.

참고: MOPA는 Master Oscillator Power Amplifier의 약자로 마스터 발진기와 전력 증폭기의 두 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. 마스터 오실레이터는 펄스 지속 시간, 반복 속도 및 스펙트럼 속성과 같은 특정 특성을 가진 초기 레이저 펄스를 생성합니다. 이 펄스는 전력 증폭기 스테이지의 시드 펄스 역할을 합니다.

MOPA 아키텍처의 주요 장점 중 하나는 증폭된 펄스의 특성을 정밀하게 제어할 수 있다는 것입니다. 게인, 포화 및 시간적 형성과 같은 전력 증폭기 단계의 매개변수를 조정하여 특정 요구 사항을 충족하도록 출력 펄스를 조정할 수 있습니다. 이러한 유연성을 통해 펄스 모양과 에너지 분포에 대한 정밀한 제어가 중요한 EUV 리소그래피를 비롯한 다양한 응용 분야에서 펄스를 최적화할 수 있습니다.

MOPA 프리 펄스 기술은 메인 펄스 전에 주석 방울에 대한 레이저 펄스의 영향을 포함합니다. 이 펄스는 액적을 수정하여 향상된 플라즈마 형성을 위한 최적화된 타겟으로 변환합니다. 펄스는 증가된 표면적과 유리한 밀도로 더 큰 대상을 생성하여 우수한 레이저 에너지 결합을 가능하게 합니다.

 

 

그렇기 때문에 이 기술은 대상 물질 분포에 대한 이러한 정밀한 제어는 전환 효율(CE)을 개선하는 데 중추적인 역할을 합니다. 레이저 펄스와 액적 상호 작용을 정확하게 타이밍함으로써 MOPA 프리 펄스 아키텍처는 효율적인 플라즈마 생성을 보장하여 EUV 출력 출력을 높였으며 10W 수준이던 출력이 30W급의 EUV 출력으로 바뀌었습니다. (엄청난 기술입니다) 다시 한번 더 정리하면서 깊게 들어가자면 레이저 캐비티를 완성하기 위해 격자 또는 거울에 의존하는 NOMO 기술은 저장된 에너지, 레이저 펄스 모양 제어 및 변환 효율 측면에서 한계가 있었습니다. MOPA 프리 펄스 기술을 통해 레이저 펄스 형태에 대한 정밀한 제어를 가능하게 했고 결과적으로 향상된 CE 및 더 높은 EUV 출력 수준을 제공했습니다!

드라이브 레이저의 출구에서 완전히 증폭된 메인 펄스의 서로 다른 pedesta 에너지 레벨, 그리고 그에 따른 CE

하지만 MOPA 프리 펄스 기술을 통해 펄스 성형을 하면서 한 가지 문제가 발생하였습니다. 펄스 성형 스위치의 불충분한 대비로 인해 발생하는 pedestal 에너지라는 것인데요. Pedestal energy란 LPP EUV 소스에서 주 레이저 펄스는 원하는 전력 수준에 도달하기 위해 일련의 증폭기를 통해 형성되고 증폭됩니다. 그러나 이 증폭 과정에서 펄스 성형 스위치를 통해 빛이 누출되어 Pedestal energy가 존재할 수 있습니다. Pedestal energy를 줄이는 것은 CE를 개선하고 전체 EUV 전력 스케일링을 향상시키는 데 중요합니다.

 

문제를 해결하고 성능을 개선하기 위해 HPSS(High-Power Seed System) 및 HPDL(High-Power Drive Laser)과 같은 레이저 아키텍처의 발전이 개발되었습니다. 이 기술을 통해 주 펄스 에너지의 시간적 전달을 최적화하고 Pedestal energy를 최소화하며 EUV 발전의 전반적인 효율성을 향상시키게됩니다. Pedestal 에너지를 최소화하면 CE가 향상되고 더 높은 레이저 출력 수준을 제공할 수 있었죠. Pedestal energy을 줄여 보다 더 높은 EUV 출력 스케일링을 달성하려면 레이저 출력 및 변환 효율의 개선이 필수적이었습니다. 잠깐 위에서 언급한 HPSS(High-Power Seed System) 및 HPDL(High-Power Drive Laser)기술이 이러한 측면을 향상시키기 위해 개발되었습니다. HPSS 아키텍처는 더 나은 펄스 성형 기능이 있어서 더 큰 프리 증폭이 가능하고, HPSS는 전력 증폭기를 더 깊게 포화시킴으로써 레이저 펄스의 순간 피크 전력을 증가시켜 변환 효율을 향상시킵니다.

 

또한 강력한 증폭기를 활용하는 HPDL은 사용 가능한 레이저 출력을 증가시킵니다. HPSS와 함께 작동하여 주요 펄스 특성을 더욱 개선하고 보다 유리한 플라즈마 조건에 액세스할 수 있게하는 기술입니다. 이번 포스팅에서는 간략하게 다룬 HPSS와 HPDL이지만 이러한 레이저 기술의 개선 노력은 더 높은 EUV 출력을 가능하게 하였습니다. 관련된 내용은 추후 포스팅에서 보다 더 자세히 다루겠습니다 ^^,,

Trumpf TruFlow series laser amplifier: Fast-Axial Flow CO2 레이저 증폭기

이외에도 증폭기의 아키텍쳐 개선도 있었습니다.

1. Fast-Axial Flow CO2 레이저 증폭기: 이 증폭기는 RF 펌핑 및 CO2 가스의 빠른 축 흐름을 사용합니다. 대기압의 1/10 근처에서 작동하는 경우 여러 증폭기를 직렬로 배열하여 큰 증폭을 달성할 수 있습니다. 일반적으로 CO2, N2 및 He로 구성된 가스 혼합은 RF 방전 영역을 통해 축 방향 흐름을 겪어 RF 유도 가열을 줄이고 효율적인 짧은 펄스 CO2 레이저 시스템을 가능하게 합니다.
2. 횡류 CO2 레이저 증폭기: CO2 가스의 빠른 횡류를 사용합니다. 이 구조는 가스가 방전 영역을 통과하는 짧은 통과 시간을 허용하여 탁월한 레이저 이득 성능을 제공합니다. 고출력 CO2 레이저 시스템의 발전은 EUV 출력 수준의 확장에 기여했습니다.

이러한 기술 개발 덕분에 고출력 CO2 레이저 시스템의 발전으로 레이저 출력, 안정성, 빔 품질 및 신뢰성이 크게 향상되었습니다. 이는 더 높은 EUV 출력 수준을 달성하는 데 중요한 요소입니다. 이 또한 추후 포스팅에서 보다 더 자세히 다루겠습니다 ^^,,